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Die Erfindung betrifft eine Druckspeicheranordnung und eine Vorrichtung mit einer solchen Druckspeicheranordnung.
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Druckspeicher, insbesondere hydropneumatische Druckspeicher, sind im Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt, z. B. als Membranspeicher oder Kolbenspeicher oder in anderen Bauarten. Wenn diese Druckspeicher in hydraulische Anlagen eingebaut werden sollen, ist eine Auslegung vorzunehmen. Diese erfolgt anhand des Nennvolumens, der Arbeitsdrücke, der Vorspannung und der Arbeitstemperatur sowie unter Berücksichtigung der thermischen Zustandsgleichung (1) für ideale Gase p·V = n·Rm·T, (1) wobei
- p [Pa]
- der Druck;
- V [m3]
- das Volumen;
- n
- die Stoffmenge;
- Rm
- die universelle oder molare Gaskonstante; und
- T [K]
- die Temperatur
sind.
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Diese Formel kann unter den Annahmen einer konstanten Stoffmenge und eines konstanten Volumens vereinfacht werden zu: p/T = const. (2)
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Die Gleichung (2) wird auch als das Gesetz von Amontons bezeichnet.
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Durch schnelle Lade- und Entladevorgänge kann es zu einer erheblichen Erwärmung des Arbeitsfluides kommen. Dies führt aufgrund der Gleichung (2) zu einer Druckerhöhung und zu einem erhöhten Verschleiß der Membran bei Membranspeichern und somit zu einer verkürzten Standzeit.
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Ein weiteres Problem ist die Diffusion von Gas von der Gasseite zur Fluidseite des hydropneumatischen Membranspeichers. Es ist zwar bekannt, in Stillstandzeiten eine Nachfüllung vornehmen zu können, dies ist jedoch im laufenden Betrieb nicht vorgesehen.
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In der Vergangenheit wurden verschiedene Vorschläge gemacht, um Druckspeicher an die jeweiligen Anforderungen im Betrieb anzupassen. Diese umfassen, die Auswahl eines Druckspeichers mit einem geeigneten Nennvolumen und einer hinreichenden Vorspannung, der Kühlung des Druckspeichers im laufenden Betrieb und dem Vorsehen von Druckbegrenzungsventilen, um schädliche Überdrücke im Druckspeicher zu vermeiden.
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Weiterhin besteht eine Forderung der Praxis dahingehend, die Kapazität eines Druckspeichers und seine Speichercharakteristik, die sich in Form einer Hysterese ausdrücken lässt, im laufenden Betrieb an veränderte Bedingungen anpassbar zu machen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druckspeicheranordnung aufzuzeigen, die flexibler einsetzbar ist und eine verlängerte Standzeit aufweist. Des Weiteren besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung mit einer solchen Druckspeicheranordnung aufzuzeigen.
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Der erste Teil der Aufgabe wird durch eine Druckspeicheranordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Eine Vorrichtung mit einer solchen Druckspeicheranordnung wird durch Anspruch 11 aufgezeigt. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Druckspeicheranordnung weist einen hydropneumatischen Druckspeicher und einen weiteren hydropneumatischen Druckspeicher auf. Der eine Druckspeicher ist auf seiner Fluidseite mit einem hydraulischen Verbraucher und der weitere Druckspeicher ist auf seiner Fluidseite mit einer Versorgungsquelle verbindbar. Die beiden Druckspeicher sind auf ihren Gasseiten mittels einer Regulierungseinrichtung miteinander gasleitend koppelbar. Der weitere Druckspeicher bleibt, eine Solldruckvorgabe für den hydraulischen Verbraucher einhaltend, bei einer einen vorgebbaren Wert überschreitenden Solldruckabweichung mittels einer Regulierungseinrichtung an den einen Druckspeicher zumindest solange gasleitend angeschlossen, bis die Solldruckabweichung den vorgebbaren Wert unterschreitet.
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Durch die erfindungsgemäße Druckspeicheranordnung ist es erstmals vorteilhaft möglich, die Gasfüllung eines hydropneumatischen Druckspeichers im laufenden Betrieb anzupassen. Auf diese Weise kann die Kapazität situationsabhängig verändert, d. h. erhöht oder verringert, werden. Durch das Ablassen von Gas auf der Gasseite kann die Kapazität reduziert werden. Wenn sich der Druckspeicher in Folge vieler Lade- und Entladezyklen stark erwärmt hat, kann es sein, dass der zulässige Betriebsüberdruck erreicht oder überschritten wird. Durch das Ablassen des Gases von der Gasseite ist es dann vorteilhaft möglich, den Betriebsüberdruck zu reduzieren. Wenn sich der Druckspeicher wieder abgekühlt hat, kann durch das Nachfüllen von Gas auf der Gasseite der Druck im Druckspeicher wieder erhöht werden. Mithin kann dann wieder mehr Druck im Druckspeicher zwischengespeichert werden. Somit kann die hydraulische Anlage weiter betrieben werden und muss nicht wegen Überschreitung der Kapazität des Druckspeichers abgeschaltet werden. Es ist auch möglich, im Rahmen der erfindungsgemäßen Druckspeicheranordnung Druckspeicher mit einem kleineren Nennvolumen als bisher einzusetzen.
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Vorteilhaft ist die Solldruckvorgabe in Form eines Druckwerts oder eines Druckbereichs vorgebbar. Sodann ist die Druckspeicheranordnung an die jeweilige hydraulische Anlage, in die sie eingebaut wird, noch flexibler anpassbar. Mithin kann der Druck im Druckspeicher auf einem bestimmten Wert oder in einem bestimmten Wertebereich gehalten werden, der einen optimalen Betrieb des hydraulischen Verbrauchers ermöglicht.
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Die Solldruckvorgabe kann darüber hinaus zeitabhängig vorgebbar sein. Mithin kann die Anpassung der Druckspeicheranordnung an sich veränderte Anforderungen im laufenden Betrieb erfolgen.
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Der zulässige Betriebsüberdruck des einen Druckspeichers liegt zweckmäßigerweise unter dem zulässigen Betriebsüberdruck des weiteren Druckspeichers. Weiterhin kann das Nennvolumen des einen Druckspeichers unter dem Nennvolumen des weiteren Druckspeichers liegen. Diese Merkmale stellen vorteilhaft sicher, dass eine Kapazitätserweiterung in jedem Betriebszustand des einen Druckspeichers erfolgen kann.
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Der eine Druckspeicher ist vorteilhafterweise ein Membranspeicher während der weitere Druckspeicher zweckmäßigerweise ein Kolbenspeicher ist. Somit ist die Druckspeicheranordnung an ihren Einsatzzweck bei niedrigen Kosten optimal anpassbar. So fallen bei Membranspeichern aufgrund des geringen Eigengewichts der Membran bei schnellen Lade- und Entladezyklen geringere Energieverluste an. Zudem können schnellere Zyklen gefahren werden. Dem gegenüber weist der Kolbenspeicher ein höheres zulässiges Druckverhältnis bei gleichem Volumen auf und eignet sich damit ideal dafür, einen Membranspeicher mit Gas zu befüllen oder ihn von Gas zu entlasten.
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Besonders vorteilhaft ist zumindest ein Sensor, insbesondere ein Drucksensor oder ein Temperatursensor, an den einen Druckspeicher oder an den weiteren Druckspeicher oder an die Verbindungsleitung zwischen den Druckspeichern angeschlossen. Die Sensoren ermöglichen die Betriebsüberwachung der Druckspeicher und erlauben es, die Kapazität noch bedarfsgerechter und schneller an den jeweiligen Betriebszustand anzupassen.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Druckspeicher an seiner Fluidseite über ein Ventil wechselweise an die Versorgungsquelle oder einen Tank anschließbar. Dies ermöglicht es, den weiteren Druckspeicher zusätzlich vorzuspannen oder zu entlasten je nachdem, wie es die konkrete Betriebssituation erfordert. Auf diese Weise kann auch die Kapazität des weiteren Druckspeichers und mithin der Druckspeicheranordnung insgesamt in einem weiteren Rahmen angepasst werden.
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Weiterhin kann ein Anschluss zur Auffüllung der Gasfüllung des einen Druckspeichers vorgesehen sein. Über diesen Anschluss kann eine Nachfüllung insbesondere während Stillstandszeiten erfolgen. Die Auffüllung kann insbesondere aufgrund der Diffusion von Gas durch die Membran des Membranspeichers erforderlich sein.
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Der zweite Teil der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst, die Vorrichtung weist eine Druckspeicheranordnung auf, wobei der eine Druckspeicher mit einer Kolben-Zylinder-Einheit als hydraulischem Verbraucher gekoppelt ist. Eine solche Vorrichtung lässt sich insbesondere als Seilspanner in Krananlagen oder Liftanlagen einsetzen.
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Es kann ein Sensor, insbesondere ein Temperatur-, Druck- oder Positionssensor, an der Kolben-Zylinder-Einheit vorgesehen sein. Der Sensor kann dann mit der Regulierungseinrichtung gekoppelt sein. Dies ermöglicht eine besonders genaue und zeitnahe Anpassung der Kapazität der Druckspeicheranordnung während des laufenden Betriebs. Aufgrund der Distanz zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit und der Druckspeicheranordnung kann mithin früher und bedarfsgerechter reagiert werden und es kann eine gezieltere Anpassung an die jeweiligen Anforderungen in der Kolben-Zylinder-Einheit erfolgen.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit kann an die Versorgungsquelle anschließbar sein, vorzugsweise über ein Ventil, das bei der bevorzugt als 3/2-Wege-Ventil oder Mengenteilerventil ausgebildet ist. Durch diese Ausführungsform wird eine Positionierung des Kolbens in der Kolben-Zylinder-Einheit ermöglicht. Die Positionierung kann auch während des laufenden Betriebs erfolgen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Hydraulikplan der erfindungsgemäßen Druckspeicheranordnung bzw. der Vorrichtung mit einer solchen Druckspeicheranordnung; und
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2 eine perspektivische Ansicht der Druckspeicheranordnung.
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In den 1 und 2 ist eine Druckspeicheranordnung 1 mit einem hydropneumatischen Druckspeicher 3 und einem weiteren hydropneumatischen Druckspeicher 5 gezeigt. Der eine Druckspeicher 3 ist zur Bildung der Vorrichtung 7 auf seiner Fluidseite 9 mit einem hydraulischen Verbraucher 11 in Form einer Kolben-Zylinder-Einheit 13 verbunden, vgl. 1. Der weitere Druckspeicher 5 ist mit einer Versorgungsquelle 15, insbesondere mit einer Hydropumpe, auf seiner Fluidseite 17 verbunden. Die beiden Druckspeicher 3, 5 sind auf ihren Gasseiten 19, 21 über eine Verbindungsleitung 23 mittels einer Regulierungseinrichtung 25 miteinander gasleitend koppelbar. Die Regulierungseinrichtung 25 umfasst dabei ein in die Verbindungsleitung 23 geschaltetes Ventil 27 als Sperrorgan 29. Der weitere Druckspeicher 5 bleibt, eine Solldruckvorgabe für den hydraulischen Verbraucher 11 einhaltend, bei einer einen vorgebbaren Wert überschreitenden Solldruckabweichung mittels der Regulierungseinrichtung 25 an den weiteren Druckspeicher 5 zumindest solange gasleitend angeschlossen, bis die Solldruckabweichung den vorgebbaren Wert unterschreitet. Mithin wird das Sperrorgan 29 geöffnet, wenn der Druck im einen Druckspeicher 3 höher ist als die Solldruckvorgabe zuzüglich der tolerierbaren Solldruckabweichung und der Druck im weiteren Druckspeicher 5 geringer ist als im einen Druckspeicher 3. Auf diese Weise wird der eine Druckspeicher 3 durch Ablassen von Gas entlastet. Umgekehrt kann das Sperrorgan 29 geöffnet werden, wenn der Druck im einen Druckspeicher 3 geringer ist als die Solldruckvorgabe abzüglich der tolerierbaren Solldruckabweichung und der Druck im weiteren Druckspeicher 5 größer ist als im einen Druckspeicher 3. Dann wird der eine Druckspeicher 3 mit Gas aufgefüllt. Vorteilhaft kann die Solldruckvorgabe aus einem bestimmten Druckwert oder einem Druckbereich bestehen. Die Betätigung des Sperrorgans 29 der Regulierungseinrichtung 25 kann darüber hinaus über eine Steuereinheit 31 zeitlich gesteuert werden.
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Der eine Druckspeicher 3 ist als Membranspeicher ausgeführt während der weitere Druckspeicher 5 ein Kolbenspeicher ist. Der Kolbenspeicher 5 weist hierbei ein gleiches oder höheres Nennvolumen und einen gleichen oder höheren zulässigen Betriebsüberdruck gegenüber dem Membranspeicher 3 auf. Zur Überwachung des einen Druckspeichers 3 ist ein Drucksensor 32 an die Verbindungsleitung 23 zwischen der Gasseite 19 des einen Druckspeichers 3 und das Sperrorgan 29 der Regulierungseinrichtung 25 angeschlossen. Weiterhin ist in diesem Abschnitt 33 der Verbindungsleitung 23 ein Anschluss 35 zur Auffüllung der Gasseite 19 des einen Druckspeichers 3 vorgesehen. Der Anschluss der Fluidseite 17 des weiteren Druckspeichers 5 an die Versorgungsquelle 15 erfolgt über zwei Schaltventile 37, 39, die als elektromagnetisch betätigbare Wegeventile ausgeführt sind. Das eine Ventil 37 koppelt eine Versorgungsleitung 41 an einem Ende 43 entweder mit dem weiteren Druckspeicher 5 oder dem hydraulischen Verbraucher 11. Dieses Ventil 37 ermöglicht es, Fluid entweder der Fluidseite 17 des weiteren Druckspeichers 5 oder einer Kolbenseite 45 der Kolben-Zylinder-Einheit 13 zuzuleiten. Das zweite Ventil 39 koppelt das andere Ende 47 der Versorgungsleitung 41 entweder mit der Versorgungsquelle 15 in Form einer Pumpe 49 oder mit einem Tank 51. Mithin kann Hydraulikflüssigkeit nicht nur zum weiteren Druckspeicher 5 und dem hydraulischen Verbraucher 11 gefördert werden, sondern auch in umgekehrter Richtung zum Tank 51 abfließen.
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Am Kolbenspeicher 5 und am Zylinder 53 der Kolben-Zylinder-Einheit 13 sind weitere Drucksensoren 55, 57 vorgesehen. Darüber hinaus sind am Zylinder 53 und an den Druckspeichern 35 Temperatursensoren 59, 61, 63 angeordnet. Zur Überwachung der Position des Kolbens 65 ist an der Kolben-Zylinder-Einheit 13 ein Positionssensor 67 befestigt.
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Die Steuereinheit 31 ist mit den Ventilen 27, 37, 39 und den Sensoren 32, 55, 57, 59, 61, 63 der Vorrichtung gekoppelt.
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In 2 ist die Druckspeicheranordnung 1 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Der eine Druckspeicher 3 ist in Form eines Membranspeichers an einen Ventilgehäuseblock 69 angeschlossen. Am gegenüberliegenden Ende des Ventilgehäuseblocks 69 ist ein Kolbenspeicher als weiterer Druckspeicher 5 angeordnet. Der Ventilgehäuseblock 69 ist quaderförmig und massiv ausgeführt, um auch sehr hohen Drücken standzuhalten. In dem Ventilgehäuseblock 69 sind die Verbindungsleitung zwischen den beiden Druckspeichern 3, 5 und das zwischengeschaltete Ventil 27 der Regulierungseinrichtung 25 angeordnet. Weiterhin weist der Ventilgehäuseblock 69 einen Anschluss 35 zur Auffüllung der Gasseite des einen Druckspeichers 3 auf. Darüber hinaus gibt es einen Anschluss 71 für einen Sensor zur Erfassung des Drucks in der Verbindungsleitung zwischen der Gasseite des einen Druckspeichers 3 und dem Ventil 27. Die Druckspeicheranordnung 1 ist sehr bauraumsparend ausgeführt.
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Mithin wird durch die Druckspeicheranordnung 1 und die Vorrichtung 7 mit der Druckspeicheranordnung 1 ein Weg aufgezeigt, auf welchem die Kapazität eines Druckspeichers 3 durch Veränderung der Stoffmenge auf der Gasseite 19 des einen Druckspeichers 3 im laufenden Betrieb anpassbar ist. Der Einsatzbereich der Druckspeicheranordnung 1 wird somit vergrößert bzw. es wird der Verbau eines kleineren Druckspeichers 3 ermöglicht.
